Uwb信號室內定位優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線通信領域，具體涉及一種超寬帶信號的室內定位方法。
【背景技術】
[0002] UWB0J虹a Wide Band,超寬帶）首先由美國軍方在1990年提出，2004年4月美國聯 邦通信委員會（Federal Communications Commission, FCC)給出超寬帶的兩種定義：第一 種是在軍方定義的基礎上規定信號的相對帶寬大于等于20%，即2 (fH-片)/ (fH+片）> 20%， 其中fn表示信號高端頻率，片表示信號低端頻率；第二種定義是信號較峰值功率下降10地 時所對應的10地寬帶大于或等于500MHz。
[0003] 超寬帶信號具有定位精度高、電池能耗低、信號保密性強等優點，但由于超寬帶信 號占用非常大的頻譜資源，會對現有系統設施造成一定程度的影響因此，為了避免對現有 其他無線設備（如GP巧造成不良影響，UWB設備的發射功率必須要受到限制。從1998年 起，美國聯邦通訊委員會（FCC)便開始規范定義UWB系統，并于2002年2月允許限制使用 UWB設備。根據規定，為了避免在相同頻率對其它系統造成干擾，UWB的功率譜密度不得超 過-41. 3地m/Hz，頻率范圍從3. IGHz到10. 6GHz之間。UWB信號具有很大的寬帶，時間分辨 率極高，使用UWB理論上能夠獲得毫米級的定位精度。此外，UWB定位還具有多徑效應不明 顯、有一定障礙物穿透能力、能夠在復雜環境下運行等特點，在現在社會中發揮越來越大的 作用。
[0004] 作為UWB定位的一種具體應用，由英國化isense公司生產的UWB定位系統，主要 包括傳感器、網絡交換機、服務器、網線等組成部分。其中，傳感器是定位單元的最重要組成 部分，在軟件平臺中有主、從傳感器之分，主傳感器通過時間同步線連接到每臺從傳感器， 每臺從傳感器接收主傳感器的時間同步信號。從傳感器將定位數據傳輸到主傳感器共同處 理數據，每個從傳感器有時間同步線連接到主傳感器。
[0005] 化isense室內定位系統運用到城市作戰，理論上課實現3維15cm定位精度。但 當軍事訓練科目演練的時候存在諸多問題，如刷新率，在單兵或全隊快速移動，搜索各個房 間的時候，刷新率上不來就會有巨大的空白區域，導致定位不準，更嚴重的是跨單元切換跳 點。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種UWB信號室內定位優化方法，就是為了解決上面的問 題，包括定位不準，跨單元切換跳點等。
[0007] 本發明的技術方案如下：
[000引一種UWB信號室內定位優化方法，定位系統包括傳感器、網絡交換機、服務器、網 線組成，其特征在于：
[0009] (1)將室內劃分為多個區域，臨近的區域部分重疊；
[0010] (2)每個區域布設一覆蓋該區域的傳感器，作為主傳感器，與其感知區域部分重疊 的傳感器作為從傳感器；
[0011] (3)使主傳感器通過時間同步線連接到每臺從傳感器，每臺從傳感器接收主傳感 器的時間同步信號，從傳感器將定位數據傳輸到主傳感器共同處理數據。
[0012] 進一步，上述每個從傳感器由時間同步線連接到主傳感器。
[0013] 本發明主要是通過安裝角度和安裝位置的改變，采用交疊的安裝方式，即區域重 合，配合相應的算法，實現提前計算，預切換，從而有效解決了定位不準、跨單元切換跳點等 問題。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明的靜態點精度圖
[0015] 圖2是本發明的X軸方向動態精度誤差百分比圖
[0016] 圖3是本發明的Y軸方向動態精度誤差百分比圖
[0017] 圖4是一個標簽在每個單元切換十次的單元切換時間圖
[0018] 圖5是一個標簽在每個單元切換十次的二維切換距離圖
[0019] 圖6是一個標簽在每個單元切換十次的Η維切換距離圖
[0020] 圖7是十個標簽在每個單元切換十次，統計獲得的切換時間圖
[0021] 圖8是十個標簽在每個單元切換十次，統計獲得的二維切換距離圖
[0022] 圖9是十個標簽在每個單元切換十次，統計獲得的Η維切換距離圖
【具體實施方式】
[0023] 本發明一種UWB信號室內定位優化方法，定位系統包括傳感器、網絡交換機、服務 器、網線組成，主要是通過安裝角度和安裝位置的改變實現發明目的。傳感器采用交疊的安 裝方式，即區域重合，配合相應的算法，實現提前計算，預切換。具體方法：
[0024] (1)將室內劃分為多個區域，臨近的區域部分重疊；
[00巧](2)每個區域布設一覆蓋該區域的傳感器，作為主傳感器，與其感知區域部分重疊 的傳感器作為從傳感器；
[0026] (3)使主傳感器通過時間同步線連接到每臺從傳感器，每臺從傳感器接收主傳感 器的時間同步信號，從傳感器將定位數據傳輸到主傳感器共同處理數據。
[0027] 上述每個從傳感器由時間同步線連接到主傳感器。
[0028] -下通過本發明的一種具體實施例，說明本發明的實現方式及效果。
[002引靜態定點測試：
[0030] 在每個房間、走廊和樓梯內選擇有代表性的不同的點作測試，通過測量所選擇點 的坐標，對比在標簽在該點位置的定位坐標，再經過數據統計，得到靜態定位精度與該精度 內的概率的關系圖如圖1所示。
[0031] 根據測試數據統計得到，在靜態定位情況下，定位精度小于等于0. 3米的概率為 72. 2%，定位精度小于等于0. 5米的概率為86. 49%。
[00礎動態精度測試：
[0033] X軸方向動態精度百分比：
[0034] 在房間、樓梯和口廳中測試，把5個標簽固定在一根桿子上，記錄每個標簽的間距 用于計算標簽實際的單向坐標，然后使桿子的一邊貼著西墻走動，即送5個標簽X軸方向的 值不變，而Y軸方向的值在變化；通過獲取的數據整理出送5個標簽X軸方向的精度誤差百 分比，X軸方向的精度誤差百分比如圖2所示。
[0035] 根據測試數據統計得到，在房間、樓梯和口廳沿南北方向運動時，假定定位點與X 軸方向夾角為45°，實際定位點精度誤差小于等于30cm，即X軸方向精度誤差21. 2cm概率 75. 13% ;實際定位點精度誤差小于等于50cm，即X軸方向精度誤差小于等于35. 3cm的概 率為 91. 35%。
[0036] 最后定位點動態精度誤差小于等于30cm的概率乘W系數0. 9為67. 16%，動態精 度誤差小于等于50cm的概率乘W系數0. 9為82. 21 %。
[0037] Y軸方向動態精度百分比：
[0038] 在走廊中測試，把5個標簽固定在一根桿子上，記錄每個標簽的間距用于計算標 簽實際的單向坐標，然后使桿子的一邊貼著南墻走動，即送5個標簽Y軸方向的值不變，而 X軸方向的值在變化；通過獲取的數據整理出送5個標簽Y軸方向的精度誤差百分比，通過 統計得到Y軸方向的誤差如圖3所示。
[0039] 根據測試數據統計得到，在走廊沿東西方向運動時，假定定位點與Y軸方向夾角 為45。，實際定位點精度誤差小于等于30cm，即X軸方向精度誤差21. 2cm概率71.95% ; 實際定位點精度誤差小于等于50cm，即X軸方向精度誤差小于等于35. 3cm的概率為 86. 32%。
[0040] 最后定位點動態精度誤差小于等于30cm的概率乘W系數0. 9為64. 75%，動態精 度誤差小于等于50cm的概率乘W系數0. 9為77. 68%。
[0041] 動態精度誤差百分比：
[0042] 根據W上兩個方向的測試算出的數據求平均值，得到實際定位點精度誤差小于等 于30cm的概率為化7. 16% +64. 75% )/2 = 65. 95% ;實際定位點精度誤差小于等于50cm 的概率為（82. 21% 巧7. 68% )/2 = 79. 95%。
[0043] 數據采集率測試：
[0044] 用10個標簽在每個單元內沿著墻邊運動兩圈，記錄運動過程中定位數據的獲取 率。每個定位單元的數據獲取率如下表1 :
[0045]
[0046] 表1 10個標簽數據采集率
[0047] 單元切換測試：
[0048] 人員佩戴標簽在不同定位單元之間行走，行走速度為1. 5m/s，記錄多次切換數據， 統計單元切換所用的時間、二維切換距離和Η維切換距離。
[0049] -個標簽在每個單元切換十次，經統計獲得的切換時間如圖4所示。
[0050] 根據測試數據統計得到，兩個單元之間的切換時間小于等于Is的概率為99%，切 換時間小于等于0. 5s的概率為83% ;
[0051] 經統計獲得的二維切換距離如圖5所示。
[0052] 根據測試數據統計得到，二維切換距離小于等于1米的概率為73. 6%，小于等于 1.5米的概率為94% ;
[0053] 經統計獲得的Η維切換距離如圖6所示。
[0054] 根據測試數據統計得到，Η維切換距離小于等于1米的概率為67%，小于等于1. 5 米的概率為93%。
[0055] 十個標簽在每個單元切換十次，統計獲得的切換時間如圖7所示。
[0056] 根據測試數據統計得到，兩個單元之間的切換時間小于等于Is的概率為90%，小 于等于0.5s的概率為67% ;
[0057] 經統計獲得的二維切換距離如圖8所示。
[0058] 根據測試數據統計得到，二維切換距離小于等于1米的概率為60. 4%，小于等于 1. 5米的概率為83. 2% ;小于等于2米的概率為91. 5% ;
[0059] 經統計獲得的Η維切換距離如圖9所示。
[0060] 根據測試數據統計得到，Η維切換距離小于等于1米的概率為57%，小于等于1. 5 米的概率為81. 3%，小于等于2米的概率為90%。
【主權項】
1. 一種UWB信號室內定位優化方法，定位系統包括傳感器、網絡交換機、服務器、網線 組成，其特征在于包括以下步驟： (1) 將室內劃分為多個區域，臨近的區域部分重疊； (2) 每個區域布設一覆蓋該區域的傳感器，作為主傳感器，與其感知區域部分重疊的傳 感器作為從傳感器； (3) 使主傳感器通過時間同步線連接到每臺從傳感器，每臺從傳感器接收主傳感器的 時間同步信號，從傳感器將定位數據傳輸到主傳感器共同處理數據。2. 根據權利要求1所述的UWB信號室內定位優化方法，其特征在于：每個從傳感器由 時間同步線連接到主傳感器。
【專利摘要】本發明涉及一種UWB信號室內定位優化方法，定位系統包括傳感器、網絡交換機、服務器、網線組成，包括以下步驟(1)將室內劃分為多個區域，臨近的區域部分重疊；(2)每個區域布設一覆蓋該區域的傳感器，作為主傳感器，與其感知區域部分重疊的傳感器作為從傳感器；(3)使主傳感器通過時間同步線連接到每臺從傳感器，每臺從傳感器接收主傳感器的時間同步信號，從傳感器將定位數據傳輸到主傳感器共同處理數據；每個從傳感器由時間同步線連接到主傳感器。
【IPC分類】H04W64/00
【公開號】CN105657821
【申請號】
【發明人】唐嘉宇
【申請人】北京航天長峰科技工業集團有限公司
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2014年11月19日